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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN DE MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO
ESTUDIO DE LA MEZCLA DE GASES DE PROTECCIÓN UTILIZADOS ENEL PROCESO DE SOLDADURA GMAW EN ACEROS ESTRUCTURALES
PARA FABRICACIÓN DE EQUIPO PESADO DE MINERÍA
POR
LAE MAURICIO MONSIVAIS CAMPOS
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DELA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA, MÉXICO, DICIEMBRE 21 DE 2009
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN DE MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO
ESTUDIO DE LA MEZCLA DE GASES DE PROTECCIÓN UTILIZADOS ENEL PROCESO DE SOLDADURA GMAW EN ACEROS ESTRUCTURALES
PARA FABRICACIÓN DE EQUIPO PESADO DE MINERÍA
POR
MAURICIO MONSIVAIS CAMPOS
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DELA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA, MÉXICO, DICIEMBRE 21 DEL 2009
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A. de C.V.
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Postgrado
Los miembros del Comité Tutorial recomendamos que la monografía
"ESTUDIO DE LA MEZCLA DE GASES DE PROTECCIÓN UTILIZADOS EN
EL PROCESO DE SOLDADURA GMAW EN ACEROS ESTRUCTURALES
PARA FABRICACIÓN DE EQUIPO PESADO DE MINERÍA", realizada por el
alumno MAURICIO MONSIVAIS CAMPOS, matrícula 08-ES075 sea aceptada
para su defensa como Especialista en Tecnología de la Soldadura Industrial.
^Ed^GefhardtTutor en Planta
EL COMITÉ TUTORIAL
MC. Víctor Hugo Dópez CortezTutor Académico
MC. Claudia A
Coordi
M.C.A
lez Rodríguezosgrado
ib García /SánchezAsesor
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A. de C.V.
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Postgrado
Los abajo firmantes, miembros del Jurado del Examen de
Especialización del alumno MAURICIO MONSIVAIS CAMPOS, una vez leída yrevisada la Monografía titulada "ESTUDIO DE LA MEZCLA DE GASES DE
PROTECCIÓN UTILIZADOS EN EL PROCESO DE SOLDADURA GMAW EN
ACEROS ESTRUCTURALES PARA FABRICACIÓN DE EQUIPO PESADO
DE MINERÍA", aceptamos que la referida monografía revisada y corregida, sea
presentada por el alumno para aspirar al grado de Especialista en Tecnologíade la Soldadura Industrial durante la defensa de la monografía correspondiente.
Y para que así conste firmamos la presente a los veintiún días del mes de
Diciembre de 2009.
Eliezer Ramírez Vidaurri
Presidente
MC. Víctor Hugo López CortezVocal
García Cerecero
Secretario
DEDICATORIA
A Dios pordarme la oportunidad y sabiduría de continuar con mis propósitos de
mejorar continuamente comopersona, en beneficio de la humanidad.
A mi Familia por permitirme y cederme el tiempo necesario para poder alcanzar
las metas establecidas para logar una mejor calidad de vida.
A la empresa Terex de México por darme la oportunidad de participar en esta
especialidad y así poder aplicar los conocimientos adquiridos en mis labores
cotidianas.
A mis amigos de TEREX Mining, Tecnológico de Acuña y COMIMSA por
dejarme participar como un miembro más de esta loable aventura del
conocimiento.
A mis asesores M.C. Víctor López, Ed. Gerhardt y M.C. Armando García por ser
constantemente impulsores en mi carrera para llevara cabo esta investigación.
Así también a la fina sociedad de COMIMSA, tanto de posgrado, como de
laboratorios, administración, CAIPI, recepción, por darme la confianza de
obtener la sabiduría de sus nodales.
A todos Gracias
ÍNDICE
Síntesis 1
Capítulo 1.
1.- Introducción 2
1.1 Antecedentes 2
1.2 Planteamiento del problema 3
1.3 Objetivo general 4
1.4 Objetivos específicos 4
1.5 Justificación 5
1.6 Beneficio del proyecto 5
1.7 Alcance 5
Capítulo 2
2.-Proceso GMAW 7
2.1.- Descripción general del proceso GMAW 7
2.2.- Equipo para el proceso GMAW. 8
2.2.1-Fuente de Poder 8
2.3.-Usos y ventajas del proceso GMAW 9
2.4.-Limitaciones del proceso GMAW 10
Capítulo 3
3.- Propiedades del arco eléctrico y los gases 12
3.1.-Conceptos electrónicos básicos 12
3.2.-Polaridad en la soldadura 14
Capítulo 4
4.-Gases protectores utilizados en el proceso GMAW 17
4.1.-Gases Inertes 18
4.2.-Gases reactivos............................. . 21
4.3.-Mezcla de gases 22
4.3.1 Mezclas binarias de gases de protección 24
4.3.2 Mezclas ternarias de gases de protección 26
4.4.-Tipos de transferencia 27
4.4.1.-Transferencia globular 27
4.4.2.-Transferencia corto circuito 29
4.4.3.-Transferencia tipo spray 31
4.4.4.- Transferencia tipo pulsada 33
4.5-Efecto del hidrógeno en la soldadura 35
4.6.-Efecto de los gases de protección en la soldadura 36
Capítulo 5
5.-Gases de protección y su efecto en la salud 39
5.1 Posibles efectos 40
5.2 Cómo evitar sobre exposición a humos 40
Capítulo 6
6.-Selección de gases de protección para GMAW 42
_
Capítulo 7
7.- Mejora en los procesos de soldadura GMAW y GTAW alternando los gases
de protección 45
7.1 Variación de la presión del arco 46
7.2 Variación del fluido en el charco de la soldadura 47
7.3 Impulso de la presión del arco 47
7.4 Porosidad 48
7.5 Perfil déla soldadura 49
7.6 Velocidad de la soldadura 50
7.7 Distorsión en la soldadura ......,..,.,..,,,,,,,,,. 52
Capítulo 8
8.-Análisis de la información 55
Capítulo 9
9.-Conclusiones y Recomendaciones 57
Bibliografía 60
Lista de figuras 62
Lista de tablas...., ...,..,.,„, ..............,,,,,,,,,,,,,.,,,,,,,,,,,,,, 64
SÍNTESIS
La utilización de la mezcla de gases en el proceso de soldadura GMAW
(Gas Metal Are Welding; Soldadura por Arco con protección de Gas) es de
suma importancia para la industria dado que esta protección de gases tiene la
función de proteger el arco de la soldadura de la atmósfera y así lograr una
soldadura limpia y de mayor calidad, losgases que mas comúnmente se utilizan
para este proceso de soldadura GMAW son el CQ2 (Dióxido de Carbono), Ar
(Argón) y una variedad de mezclas y porcentajes que se adecúan a las
d¡ferentes necesidades industriales y sobre todo logrando soldaduras limpias y
de gran calidad en su penetración en los metales base a soldar.
Los gases protectores son considerados como una de las variables
esenciales en el proceso de soldadura GMAW por aportar la protección
adecuada al arco eléctrico del medio ambiente y así obtener un arco estable
que producirá soldaduras de buena calidad y limpieza. Esta es una
característica que hace el proceso de soldadura mas eficiente y así generando
reducciones de costos al evitar el constante retrabajo por falta de limpieza o
soldaduras de mala calidad. Por esto la importancia de hacer un estudio a
profundidad sobre el uso de gases protectores para el proceso de soldadura
GMAW en aceros estructurales, al obtener mezclas que generan la menor
cantidad de humos logramos proteger la salud de los soldadores y así aumentar
su eficiencia en el trabajo.
1.1 Antecedentes
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
El proceso de soldadura mas comúnmente utilizado en la industria de
construcción para equipo pesado de minería es el GMAW por sus siglas en
inglés Gas Metal Are Welding. Es un proceso que utiliza un arco entre un
electrodo de metal de aportación continua y el charco de soldadura. Este
proceso utiliza una protección que proviene de un gas suministrado
externamente y sin aplicación de presión; esta protección es requerida para
evitar que el medio ambiente provoque defectos en la soldadura como lo es la
porosidad.
El concepto básico de GMAW fue introducido en 1920, pero no fue sino
hasta 1948 cuando fue comercialmente disponible. Al principio fue considerado
para ser fundamentalmente, un proceso de corriente de alta densidad, con un
electrodo de metal desnudo de diámetro pequeño utilizando un gas inerte para
la protección del arco. Su aplicación primaria fue para soldar aluminio. El
proceso de GMAW también es conocido como MIG por sus siglas en inglés
(Metal Inert Gas) el desarrollo de procesos subsecuentes incluyeron el uso de
corriente de baja densidad ycorriente pulsada directa, así como la aplicación a
un gran numero de materiales, y el uso de gases reactivos (particularmente el
C02) ymezcla de gases. Este último desarrollo ha logrado la aceptación formal
del término de Gas Metal Are Welding (GMAW) debido al uso de gases inertes y
reactivos en este proceso de soldadura.
El proceso GMAW pude ser operado por máquinas automáticas y
semiautomáticas. Todos los metales de importancia comercial como los aceros
al carbono, de alta resistencia y de baja aleación, inoxidables, aluminio, cobre,
titanio, yaleaciones de níquel pueden ser soldados en todas las posiciones con
este proceso utilizando el gas protector , electrodo y variables de soldadura
adecuados. (1)
1.2. Planteamiento del problema
Actualmente en Terex de México se está utilizando una mezcla de gases
ternaria de 90% Argón, 8% C02 y 2% Oxígeno, la cual por su alto contenido de
Argón convierte el costo operativo elevado, se requiere verificar con el estudio
del estado del arte si esta mezcla es la más adecuada para los procesos de
soldadura utilizados en Terex de México y así asegurar que la calidad de la
soldadura cumpla con las especificaciones de la AWS D1.1 para los aceros
estructurales de bajo carbono como A36, A633 , A514, Weldox 120 y Hardox
400.
1.3 Objetivo general:
Identificar, con base en el análisis del estudio del estado del arte la mezcla
ideal de gases de protección en el proceso de soldadura GMAW, aplicado a la
industria de manufactura de equipo para la minería yconstrucción, en aceros de
bajo carbono como, A36, A633, A514, Weldox 120, Hardox 400. Identificando la
mezcla idónea considerando la calidad de la soldadura aplicada a los metales
antes mencionados, como resistencia, penetración y limpieza.
1.4 Objetivos específicos
1. Estudio del arte sobre el proceso de soldadura GMAW para comprender
la importancia de la protección de los gases.
2. Determinar si la mezcla actual es la correcta para el tipo de
transferencia utilizado.
3. Conocer todas las características de los gases inertes y activos que
ofrece el mercado para el proceso GMAW.
4. Determinar si los gases de protección tienen efecto en la salud del
soldador.
1.5. Justificación
Al encontrar en el estado del arte la mezcla idónea yque nos dé la calidad
que cumpla con los requerimientos para soldar aceros de bajo carbono como
A36, A633, A514, Weldox 120, Hardox 400 se reduce el costo del proceso de
producción al lograr soldaduras más limpias, resistentes ysanas haciendo a
Terex de México más competitivo en el mercado.
1.6 Beneficio del proyecto
Con la información que se obtenga del estado del arte, se tendrá un
conocimiento amplio de los gases de protección para el proceso de soldadura
GMAW ytener la posibilidad de encontrar una mezcla de menor costo pero con
la garantía de una soldadura de buena calidad, Terex de México se hace más
competitivo en el mercado al poder compartir esta reducción de costos en las
cotizaciones de nuevos productos y ser más atractivo para los probables
clientes alrededor de todo el mundo.
1.7 Alcance del proyecto.
Con esta monografía se realiza una descripción del estado del arte sobre los
gases de protección en el proceso de soldadura GMAW.
El estado del arte nos da la información pertinente para conocer a detalle
todos los gases de protección que se pueden utilizar en el proceso de soldadura
GMAW, sus diferentes mezclas, ventajas y desventajas para tomar la mejor
decisión al escoger la mezcla ideal para nuestro proceso.
CAPÍTULO 2
PROCESO DE SOLDADURA DE ARCO
METÁLICO CON PROTECCIÓN DE GAS
GMAW
2.1.- Descripción general del proceso GMAW
El proceso de soldadura de arco con protección de gas por sus siglas en
inglés GMAW Gas Metal Are Welding es un proceso que funde y une los
metales por medio del calentamiento provocado por un arco establecido entre
una alimentación de alambre electrodo y los metales. La protección del arco y el
charco de soldadura son obtenidos por el uso de los gases inertes como el
Argón y el Helio, y es por esto que también se le llama Metal Inert Gas MIG.
Desde el uso de gases no inertes como el C02 el nombre de GMAW es el más
apropiado (2).
2.2.- Equipo para el proceso GMAW
El equipo necesario para soldar el arco con alambre protegido por gas es:
una fuente de alimentación de corriente continua y voltaje constante, un
alimentador de alambre y un sistema de control, alambre-electrodo, una pistola
de soldar, un cable eléctrico yconjunto de manguera para el gas protector, yun
suministro de gas protector. Ver Figura 1.
La fuente de alimentación es un transformador rectificador o un generador.
Tiene un ciclo de trabajo de cien por ciento. La fuente de alimentación funciona
continuamente a cargas nominales mientras se alimenta el alambre electrodo al
arco. Produce voltaje casi constante con amperaje variable similar a la corriente
doméstica, con la excepción que esta última tiene el mismo voltaje para todos
los artefactos. En las fuentes de alimentación de voltaje constante, una gran
variación del amperaje da una pequeña variación en el voltaje (2).
2.2.1 Fuente de poder
La fuente de poder suministra la energía eléctrica del electrodo a la pieza de
trabajo a fin de producir el arco. En casi todas las aplicaciones de GMAW se
emplea Corriente Directa Electrodo al Positivo (DCEP), por lo que la terminal
positiva se conecta a la antorcha yla negativa a la pieza de trabajo. Este modo
suele denominarse -polaridad inversa.
s
El término de polaridad describe la conexión eléctrica de las terminales de
una fuente de potencia de corriente continúa. La conexión DCEP en GMAW
produce un arco estable, una transferencia de metal uniforme, yrelativamente
existen pocas salpicaduras, ybuena penetración (1).
0 TfcKMIfcAL® CIRCUITO DELAPISTOLA(3)GAS DE PROTECCIÓN ALA PISTOLA@ CONDUCTOR DEL CABLE?S> GAS OE PROTECCIÓN DESOE EL TANQUE
(6) CABLEDEPODER(h ENTRADA DE PODER
REGULADOR
DEGAS
TANQUEGAS DE
PKOIECCION
Figura 1. Diagrama del equipo para el proceso GMAW (1).
2.3.- Usos y ventajas
El uso de los procesos son dictados por las ventajas, las más importantes
son las siguientes:
1.- Es el único proceso de electrodo consumible que se puede utilizar en todos
los metales y aleaciones comerciales.
10
2.- El proceso GMAW sobrepasa la restricción de la longitud del electrodo en el
proceso SMAW por sus siglas en ingles Shielded Metal Are Welding.
3.- Se puede soldar en todas las posiciones, algo que no podemos encontrar en
el proceso SAW por sus siglas en inglés Submerged Are Welding.
4- El rango de depósito es significativamente mayor que los obtenidos en
SMAW.
5.- La velocidad de la soldadura es mayor comparado con el proceso de SMAW
debido a la alimentación continua de electrodo y alto rango de depósito en el
metal.
6.- Debido a la alimentación continua del electrodo se pueden aplicar cordones
largos sin necesidad de paros e inicios del cordón.
7.- Con la transferencia de spray se puede lograr una penetración profunda
comparado con el proceso SMAW lo cual permite el uso de filetes pequeños
para esfuerzos equivalentes.
8.- Limpieza mínima es requerida debido a la ausencia de exceso de escoria.
Estas ventajas han hecho el proceso GMAW particularmente bien situada en
aplicaciones de alta producción ysoldadura automatizada (2) (1).
2.4 Limitaciones del proceso GMAW
Como cualquier proceso de soldadura, hay ciertas limitaciones lo cual restringe
el uso del GMAW algunos de ellos son los siguientes.
11
1.- El equipo de soldadura es más complejo, más costoso, ymenos portátil que
el SMAW.
2- El proceso GMAW es difícil de usar en lugares de difícil acceso debido aque
la pistola para soldar es mas grande que el sostenedor de el proceso SMAW, y
la pistola de soldar tiene que estar cerca de la junta, entre 3/8 a%de pulgada,
para asegurar que el metal a soldar esta apropiadamente protegido por los
gases.
3.- El arco de soldadura debe estar protegido por las corrientes de aire para
asegurar que los gases protectores no se dispersen, esto limita la aplicación en
el campo al menos que se coloquen pantallas protectoras alrededor del área a
soldar.
4.-Relativamente altos niveles de radiación de calor e intensidad del arco
pueden resultar en que el operador se resista al proceso. (1)(2)
12
CAPÍTULO 3
PROPIEDADES DEL ARCO ELÉCTRICO Y
LOS GASES DE PROTECCIÓN
La única propiedad de un gas ocombinación de gases, es que pueden tener
una importante influencia en las características del arco eléctrico como, entrada
de calor, en el desarrollo de todo el proceso. El entender los conceptos básicos
de las características eléctricas claves ylas propiedades físicas fundamentales
de los gases ayudarán a seleccionar los gases de protección inteligentemente y
relacionar su efecto con lacalidad de la soldadura depositada (3).
3.1 Conceptos eléctricos básicos
Electrones: Es conveniente pensar en los electrones como cargas negativas
que se pueden mover libremente en un circuito. Los electrones pueden estar
simplemente apilados en el polo negativo de un circuito, esperando a fluir al
polo contrario (positivo), el polo positivo no tiene suficientes electrones yel polo
negativo tiene demasiados, cuando las dos terminales se unen una a la otra por
13
medio de alambres las cargas negativas viajan a la terminal positiva. Figura 2
(3).
♦-© «-© <-o
Figura 2. Viaje de las cargas negativas en un circuito hacia el polo positivo.
Voltaje: Es la unidad de presión o fuerza electro motiva que empuja la
corriente, o electrones a través de un circuito. Un volt empuja un ampere a
través de una resistencia de un ohm. El voltaje que se utiliza en los procesos de
soldadura oscila en un rango de 14 a 35 volts. (3).
Amperaje. Un ampere es la unidad de corriente o la medida del número de
electrones que fluyen pasando por un punto de un circuito cada segundo. La
cantidad de electrones es expresada en coulomb. Un coulomb equivale a 6.25
billones de electrones. Un ampere equivale un coulomb por segundo. El
amperaje en la soldadura de arco abierto oscila entre un rango de 14 a 400
amperes. (3).
14
Ohm. Es la unidad de resistencia al flujo de la corriente. En una manguera de
jardín, la presión del agua es similar al voltaje yla cantidad de flujo del agua es
similar al amperaje. Cualquier restricción en la manguera, va a producir
resistencia al flujo del agua. Esto se puede representar con la siguiente fórmula:
V=lx R
V (voltaje)
I (amperes)
R (ohm)
3.2 Polaridad en la soldadura.
La dirección del flujo de corriente tiene influencia en la eficiencia de fundir el
arco de soldadura. Como consecuencia el control de la polaridad en el sistema
de la soldadura es muy importante en el proceso de soldadura GMAW hay dos
tipos de conexión, polaridad directa y polaridad inversa.
Cuando la polaridad directa o corriente directa electrodo al negativo (CDEN) se
utiliza en el proceso de soldadura, el electrodo es el polo negativo y la pieza de
trabajo es el polo positivo del arco de soldadura. (Figura 3) (3).
Electrodo
ElectronesTOfeT:..-'--""•. .'.—T.—~—
Pieza de trabajó
Figura 3 Conexión de corriente directa electrodo negativo (DCEN) (3).
15
Al utilizar la corriente directa (CD) polaridad inversa o corriente directa
electrodo al positivo (CDEP) el electrodo es el polo positivo yla pieza de trabajo
es el polo negativo. Figura 4. (3).
ter^i
Pieza de trabajoiBWKMBf";,, ——~
Figura 4 Conexión de corriente directa electrodo positivo (DCEP)
16
Cuando se suelda con corriente directa electrodo al negativo, la dirección del
flujo de electrones al metal base, golpeando el área de soldadura a alta
velocidad al mismo tiempo los iones positivos del argón fluyen al electrodo de
soldadura, quitando los óxidos de la superficie del metal base.
En el proceso de soldadura GMAW utilizando la polaridad de corriente
directa electrodo al positivo. (CDEP) el efecto del flujo del calor de los
electrones se concentra en la punta del electrodo, esto ayuda a hacer más
eficiente la fusión del electrodo el cual aporta metal fundido y refuerza la
soldadura yse mejora la penetración yla productividad.
Otra característica importante de la corriente directa electrodo positivo
(CDEP) es la acción de limpieza en la superficie del metal base esto es
ocasionado por el bombardeo de los iones aunado al flujo de los iones del gas
pesado como el argón que es 10 veces más pesado que el helio, provocando
una limpieza abrasiva.(3).
17
CAPÍTULO 4
GASES DE PROTECCIÓN UTILIZADOS EN
EL PROCESO GMAW
Los gases protectores son consumibles utilizados en los procesos de
GMAW. La American Welding Society (AWS) no tiene especificaciones para los
gases protectores. Existen especificaciones federales pero la industria de la
soldadura usualmente toma la decisión de la combinación de gases a utilizar en
base al grado de soldabilidad que requiera.
El principal propósito de los gases protectores es proteger el charco de
soldadura de contaminación provocada por el oxígeno y nitrógeno que se
encuentra en el aire. Los factores que afectan la decisión del tipo de gas
protector a utilizar aparte del costo son: la influencia del gas en las
características del arco y tipo de transferencia al soldar, penetración de la
soldadura, el espesor del metal base y el perfil de la superficie, la velocidad de
la soldadura, y la tendencia a la socavación.
18
4.1.- Gases inertes
Los gases inertes son el Argón, Helio, Neón, Kriptón, y Neón, son los únicos
que se utilizan por sus usos prácticos de soldadura son el Argón y el Helio.
Estos gases proveen satisfactoriamente la protección para la mayoría de los
metales reactivos como Aluminio, Manganeso, Berilio, Cadmio, Titanio, y
Circonio. (4) (5).
Aunque los gases inertes puros protegen el charco de soldadura de los
componentes del aire a cualquier temperatura, no son convenientes para todo
tipo de aplicaciones de soldadura. Cantidades controladas de gases reactivos
mezclados con gases inertes mejoran las características de la acción del arco y
transferencia de metal cuando se sueldan aceros.
Argón y Helio como gases de protección
Como se ha mencionado la naturaleza inerte del Argón y el Helio no es la
única característica que los hace convenientes para la protección del charco de
soldadura. Otras características son importantes y son factores decisivos para
escoger el gas protector para los procesos GMAW y TIG (por sus siglas en
inglés Tungsten Inert Gas).
La longitud del arco y la corriente del arco voltaje con el Helio es mayor que
con el Argón, debido a que el Helio produce mayor calor que el Argón. El Helio
es más efectivo para soldar materiales de mayor espesor, particularmente
19
materiales de alta conductividad como el cobre y aleaciones de aluminio. El
Argón es más conveniente para soldar materiales delgados y aquellos de baja
conductividad al calor, especialmente en soldaduras diferentes a la posición
plana debido a que el Argón es más pesado. El Argón es aproximadamente 1.4
veces más denso que el aire en comparación al del Helio que es sólo 0.14
veces más denso que el aire. El Argón por ser más pesado es el gas protector
más efectivo para proteger el arco y el área soldada. El Helio requiere
aproximadamente de dos a tres veces más alto el rango de flujo que el Argón
para proveer una protección equivalente al Argón (4) (6).
El Argón tiene propiedades de baja conductividad térmica y potencial de
ionización que resultan en baja transferencia de calor a las áreas externas del
arco. (Tabla 1). Esto forma una columna del arco estrecha, la cual crea el perfil
tradicional del Argón puro: profundo y relativamente estrecho. (Figura 5) (4) (6).
Argón Dióxido de
Carbono
Helio Hidrógeno Nitrógeno Oxígeno
Símbolo
Químico
Ar co2 He H2 N2 Oj
Gravedad
específica(Aíre=1)
1.38 1.53 0.14 0.07 0.98 1.1
Potencial de
ionización
(EV)
15.7 14.4 25.4 13.5 14.5 13.2
Conductividad
térmica
9.69 8.62 85.78 97.22 13.93 14.05
Tabla 1 El fabricante tiene una variedad de gases de protección a considerar para soldar con
arco(6).
20
Figura 5 Perfil de penetración del Argón profundo yestrecho.(6).
El Helio, también es monoatómico como el Argón, gas inerte comúnmente y
es utilizado en el proceso de GTAW (por sus siglas en inglés Gas Tungsteng
Are Welding) en materiales no ferrosos. En contraste con el Argón, el Helio
tiene alta conductividad y potencial de ionización, el cual da efectos opuestos al
del Argón. Helio provee un perfil ancho, buena penetración en las orillas del
charco, y alto calor de entrada. (Figura 6) (6).
Figura 6 Perfil de penetración del Helio es más ancho pero menos profundo que el del Argón.
21
4.2.- Gases Reactivos
Oxígeno, Nitrógeno, y Dióxido de Carbono son gases reactivos. Con la
excepción del Dióxido de Carbono estos gases generalmente no se utilizan
solos para la protección del arco. El Dióxido de Carbono se puede utilizar solo o
en combinación de gases inertes para soldar la mayoría de aceros al carbono y
de baja aleación. El Oxígeno es utilizado en cantidades menores con uno de los
gases inertes usualmente el Argón como mezcla de gas protector para soldar
cobre. (5) (6).
El Dióxido de Carbono C02, da un buen perfil de soldadura, ancho y buena
profundidad. La baja ionización y la conductividad térmica, crean un área de
concentración de calor en el centro de la columna del arco, esto provoca
soldaduras con un perfil de penetración ancho y profundo. (Figura 7) (6).
Figura 7 Perfil de penetración del C02 es ancho y profundo (6).
22
4.3.- Mezcla de gases
El mercado ofrece una gran variedad de mezcla de gases para diferentes
procesos de soldadura. (Tabla 2)
• • •
GMAW^^^™•—
FCAW GTAW
Gas o Mezcla Acero al
Carbono
Inoxidable Aluminio Acero al
Carbono
Inoxidable Acero al
Carbono
Inoxidable Aluminio
Ar X X X X
He X
co2 X
Ar/COz X X X
Ar/02 X X X X
Ar/He X X X X
Ar/C02/02 X
Ar/H2 I X
Ar/He/C02 X X L X x—
He/Ar/C02 1 U 1 1 1 1 \ \
Tabla 2 Diferentes combinaciones de procesos de soJdadura y materiales que requieren
diferentes combinaciones de gases de protección en lasoldadura (6).
Cuando se realizan soldaduras por GMAW en aceros al carbono, la
composición óptima de la mezcla de gases de protección que provee una
máxima flexibilidad para la aplicación del proceso y la reducción en el nivel de
humos corresponde a una mezcla ternaria. Estas mezclas contienen argón
como componente fundamental con cantidades variables de C02 de un 5 a un
25 % y 02 de un 5% a un 2%, produciendo una reducción en la zona de
transferencia globular, con menores voltajes para iniciar la transferencia tipo
spray.
Mezclas con poco C02 usualmente son utilizadas para lograr una
transferencia tipo espray o cuando se quiere lograr una entrada de calor bajo y
23
penetración amplia en materiales delgados. Alto contenido de C02 promueve la
transferencia tipo corto circuito y puede promover una acción de limpieza en
materiales gruesos. (Figura 8), sin embargo, el aumento del contenido del C02
significa el aumento del agotamiento de los elementos aleantes. (5) (6)
•-*'¡?"SpíP»«
Figura 8 Perfil de penetración de la combinación de Argón / C02 (6).
Las mezclas de argón yoxígeno en porcentajes usualmente entre 2% y5%
de oxígeno Estos gases son usados típicamente para transferencia tipo spray
en materiales limpios. (Figura 9). Muchos fabricantes de aceros estructurales
usan mezclas de argón y 02 por que permite soldar en materiales ligeramente
oxidados. (5) (6).
t,_.^_.
Figura 9 Perfil de penetración del Argón/02 es de mayor profundidad yno tan ancho como el
perfil de Argón/C02 (6)
24
La mezcla de Ar, C02 y 02 es de entre 2% y 8%,de oxígeno este tipo de
mezcla ternaria funciona bien para transferencia de tipo espray y de corto
circuito, se puede usar en muchos espesores de materiales. El oxígeno tiende a
promover la transferencia spray a bajos voltajes mientras el C02 ayuda a la
penetración.
4.3.1 Mezclas binarias de gases de protección
La mezcla de gases de protección formada por dos partes se le llama mezcla
binaria ylas mas comunes son: Argón +Helio, Argón +C02 oArgón +Oxígeno.
75% Argón + 25% Helio
Esta mezcla binaria es frecuentemente utilizada para mejorar el perfil de
penetración en aluminio, cobre, yníquel. El charco de soldadura es mas liquido
que el 100% argón.
.
75% Helio + 25% Argón
El alto contenido de helio aumenta la conductividad térmica y el líquido del
charco de soldadura. El perfil de penetración es amplio y exhibe excelente
penetración en los pies de la soldadura.
Argón + C02
La mezcla binaria mas común utilizada en el proceso de soldadura GMAW
en aplicaciones para aceros al carbono.
25
4.3.1.1 Mezclas de gas de protección para lograr el tipo de transferencia tipo
corto circuito más comunes
75% Argón + 25% C02
Reduce el chisporroteo y mejora la apariencia de la soldadura en
aplicaciones de aceros al carbono.
80% Argón + 20% C02.
Otra mezcla popular que reduce el chisporroteo ymejora la apariencia de la
soldadura en aplicaciones de aceros al carbono.
4.3.1.2 Mezclas de gas de protección más comunes para lograr la transferencia
tipo espray axial
98% Argón + 2% C02.
95% Argón + 5%C02.
90% Argón + 10% C02.
85% Argón + 15% C02.
82% Argón + 18% C02.
Argón + Oxígeno
La mezcla de Argón y Oxígeno obtienen la transferencia spray axial a mas
bajas corrientes que la que utiliza la mezcla de argón +C02, es utilizada en
26
metales delgados, el tamaño de las gotas son mas pequeñas yel charco de la
soldadura es más líquido.
4.3.2 Mezclas Ternarias de gases de protección.
La mezcla de 3 partes de gases de protección es popular para los aceros al
carbono, inoxidables, yen algunos casos aleaciones de níquel, a continuación
se citan las mezclas de gases ternarios más comunes.
90 % Helio, 7.5 % Argón, y 2.5 % C02
Esta mezcla es la mas popular para la transferencia de tipo corto circuito en
aplicaciones para aceros inoxidables.
55% Helio, 42.5 Argón, y 2.5 C02
Esta mezcla es utilizada para el tipo de transferencia de arco pulsado, el bajo
contenido de Helio en la mezcla permite también el uso de la transferencia
espray axial.
38% Helio, 65 % Argón, y 7 % C02
Esta mezcla es utilizada para lograr una transferencia de corto circuito en
aceros de baja y mediana aleación.
27
90% Argón, 8% C02, y 2% Oxígeno
Esta mezcla es aplicada para los modos de transferencia de corto circuito,
spray pulsado, yspray axial en aceros al carbono.
4.4- Tipos de transferencia de metal.
Entre los tipos de transferencias de metal podemos citar: globular, corto
circuito, spray ypulsada. Acontinuación se hace una breve descripción de cada
uno de ellos.
4.4.1.-Transferencia globular
La transferencia globular forma una gota en la punta del alambre electrodo
que se estáa fundiendo hasta que crece a un tamaño más grande que el
diámetro del alambre. Debido a la fuerza de gravedad, se suelta del electrodo y
se transfiere a través del arco. Puede ser de 1.5 a 2 veces el diámetro del
electrodo. Este proceso se repite continuamente de acuerdo a la velocidad del
depósito de la soldadura. La transferencia globular produce una velocidad de
depósito de la soldadura mayor, además, el calor de transferencia es mayor que
en el cortocircuito. (1)
En aceros bajo, mediano carbono, y aceros de alta resistencia y baja
aleación, se usa Dióxido de Carbono como gas protector. Este gas se está
usando mucho para soldar aceros de baja y mediana aleación, y produce
transferencia globular a niveles más altos de corriente.
28
La transferencia globular tiene un arco violento y un poco de salpicadura, no
es adecuado para soldar fuera de posición debido al gran tamaño de la gota ya
que depende de la fuerza de gravedad para transferir el metal de aportación.
Figura 10.
Figura 10 Transferencia Globular (3).
Ventajas
Utilizar la transferencia globular tiene las siguientes ventajas:
- Utiliza el gas de protección mas económico C02
- Es capaz de hacer depósitos de soldadura a alta velocidad
- Puede utilizar electrodos económicos sólidos o huecos.
- El equipo de soldadura es de losmás económicos.
Desventajas:
Entre las desventajas del proceso de transferencia globular tiene las siguientes
desventajas:
- Alto nivel de chisporroteo resultando en un alto costo de limpieza.
29
Propenso a crear soldaduras con fusión incompleta, causando altos
costos de reparación.
El perfil de soldadura es convexa y provoca que muestre pobre
adherencia al metal base en los pies de soldadura.
Altos niveles de chisporroteo reduce la eficiencia de los electrodos en un
rango de 87 al 93%.
4.4.2- Transferencia corto circuito
En el proceso de corto circuito, la punta del alambre electrodo se funde en un
pequeño glóbulo que avanza hacia el baño, el arco se extingue a medida que elglóbulo queda en contacto con el baño, produciendo un corto circuito (Figura 11).
La comente aumenta y el glóbulo comienza a estrecharse en la base hasta
cortarse, con lo que el arco sevuelve a encender, comenzando otra vez el mismo
proceso.
Antes de la transferenciak*m*<f :•*...: —
Duranteel corto circuito i ; Despuésde la transferencia
Figura 11 Transferencia corto circuito(3).
30
La soldadura de transferencia de corto circuito se usa principalmente en
aceros de bajo omediano carbono, yaceros de baja aleación yalta resistencia.
La soldadura por cortocircuito puede usarse en todas posiciones, para todo tipo
de juntas, para unir secciones delgadas de metal en posiciones vertical,
horizontal y sobre cabeza, para rellenar aberturas de raíz grandes, y
aplicaciones de metales ferrosos yno ferrosos ysoldadura de tuberías. En este
proceso encontramos ventajas ydesventajas que se citan acontinuación (3).
Ventajas:
- Capacidad de soldar en todas las posiciones.
- Requiere muy pocos ajustes manuales
- Bajo calor de entrada reduce la distorsión de soldadura.
- Alta eficiencia del electrodo de 93% o más.
Desventajas:
- Restringido al uso de metal delgado.
- Un procedimiento pobre en control puede resultar en salpicadura
excesiva causando aumento en el costo de limpieza.
, Un procedimiento pobre en control puede resultar en soldaduras de
penetración incompleta ygenerar alto costo en reparación.
- Para prevenir la perdida de protección del gas se requiere el uso de
pantallas protectoras de aire.
31
4.4.3.- Transferencia tipo spray
La transferencia de tipo espray consiste en gotas de fundición muy finas que
electromagnéticamente se desprenden de la punta cónica que se forma en el
extremo del alambre electrodo. Las gotas se transfieren rápidamente a través
del arco al baño desde menos de cien hasta varios cientos de veces por
segundo. Figura 12. Se usa para soldar metales ferrosos yno ferrosos. Para losmetales no ferrosos se usa una combinación de Argón y Oxígeno como gas
protector. Puede ser una mezcla de 95% Argón, 5% Oxígeno; 98% Argón, 2%Oxígeno; o99% Argón, 1% Oxígeno. El Argón limita el tamaño de las gotas de
metal derretido, solo se transfieren gotitas pequeñas de metal, el oxígeno en la
mezcla ayuda a estabilizar el arco, reducir las salpicaduras, ensanchar la
penetración de la soldadura e impedir el socavado o indentacíón marginal. Sepuede usar un máximo de 5% de Oxígeno, así no se tendrá problemas de
porosidad. El Argón con Oxígeno se usa para soldar aceros de bajo ymediano
carbono, aceros de baja aleación yalta resistencia yaceros inoxidables en las
posiciones plana y horizontal.
El Argón, Helio o una mezcla de ambos se usa para soldar Aluminio y
aleaciones de Aluminio, Níquel y aleaciones de Níquel, aleaciones de Cobre,
Titanio y otros metales no ferrosos. (1)
32
y.
Figura 12 Transferencia tipo spray (3).
El tipo de transferencia que se utiliza en Terex de México para soldar los
aceros A36, A633, A514, Weldox 120, Hardox 400 es el tipo spray. Las ventajas
ydesventajas de este proceso son las siguientes.
Ventajas:
- Rangos de alto deposito de soldadura.
- Alta eficiencia en el electrodo de 98% o más.
- Se puede utilizar un amplio tipo de metal de aporte y una amplia
variedad de diámetros de electrodos.
- Excelente apariencia del depósito de soldadura.
- Requiere un mínimo de limpieza después de la aplicación de la
soldadura.
- Chisporroteo mínimo.
- Excelente fusión de la soldadura.
- Se puede utilizar en aplicaciones semiautomáticas yrobóticas
33
Desventajas:
- Restringido a utilizarse sólo en posiciones planas yhorizontal.
- Alta generación de humos.
- El alto calor de la radiación yla generación de un arco muy brillante
requieren de una protección extra para el soldador.
- El uso de transferencia tipo espray en el campo requiere el uso de
pantalla para proteger del viento.
- El uso de gases de protección en la transferencia tipo espray esde
mayor costo que utilizar sólo 100% C02.
4.4.4 Transferencia Tipo Pulsada
En este tipo de transferencia, la fuente poder otorga dos niveles de salida,
dos corrientes, una ininterrumpida y de débil intensidad (llamada de base) cuyo
objetivo es proporcionar al microalambre la energía calorífica para mantener el
arco encendido y otra constituida por una sucesión de pulsaciones a una
determinada frecuencia hasta varios cientos de ciclos por segundo. Cada
pulsación eleva la intensidad a un valor suficiente que hace fundir una gota del
mismo diámetro que el diámetro del microalambre que se está utilizando. Esta
34
gota se desprende antes de que el extremo del microalambre llegue a hacercontacto con el metal base, como consecuencia de las fuerzas internas que
actúan. De esta manera se elimina en su totalidad las proyecciones, tan
características de otros tipos de transferencia. Además, se consigue una gran
penetración debido ala elevada intensidad durante la pulsación, ysin embargo,la energía media empleada es inferior que la utilizada en el proceso de
soldadura GMAW convencional, lo que repercute en una menor deformación de
la pieza soldada. Figura 13.
Alambre
sin cuello
Transferencia*™
por goteo con
i pulso
Figura 13 Transferencia por arco pulsado (3)
El proceso de arco pulsado presenta las siguientes ventajas ydesventajas.
Ventajas:
Ausente o muy bajo nivel de chisporroteo.
Más resistente a la falta de fusión que los otros modos de transferencia
de metal.
Excelente apariencia del cordón de soldadura.
35
Alta operatividad.
Ofrece una solución ingenieril para el control de generación de humos.
Reduce los niveles de distorsión por el calor inducido.
Se puede soldar fuera de posición.
Bajo depósito de hidrógeno.
Alta eficiencia de depósito del electrodo hastael 98%.
Desventajas:
El equipo para el proceso es más caro que los de los sistemas
tradicionales.
La mezcla de gas basadas en Argón son más caras que las basadas en
Dióxido de Carbono.
Alta energía para generar el arco, requiere el uso de protección adicional
de seguridad para los soldadores.
Complejidad al soldar.
Requiere el uso de pantallas al soldar en el exterior.
4.5.- Efecto del Hidrógeno en la soldadura
Por otro lado, se tiene que el gas de protección puede afectar el nivel de
Hidrógeno difusible, que está asociado a problemas de fisuras en frío en la
soldadura de aceros al carbono (Figura 14). El Hidrógeno puede introducirse al
metal de soldadura por diversas fuentes. En soldaduras semiautomáticas estas
i
36
fuentes de Hidrógeno pueden ser del metal de aporte, el metal base húmedo, el
gas de protección yde la humedad atmosférica, si no hay una buena proteccióndel arco. La humedad en el gas de protección es medida por su punto de roció y
muchas de las mezclas de gases utilizadas en soldadura se entregan con
menos de 10ppm de humedad en el cilindro (7)
Figura 14 Fotografía mostrando una fractura en la soldadura (7)
4.6.- Efecto de los gases de protección en la soldadura.
El gas de protección tiene como función principal proteger al charco de
soldadura del medio ambiente y al mismo tiempo tiene efecto sobre algunas
características, que se citan a continuación.
37
Características eléctricas del arco. De acuerdo con la mezcla de gas utilizado
se puede lograr un arco estable. Entre mas estable se logra mejor calidad y
apariencia de soldadura.
Modo de transferencia de metal. Es esencial la mezcla de gas utilizado para
lograr las diferentes tranferencías de metal, globular, corto circuito, spray yarco
pulsado.
Penetración y perfil del cordón de la soldadura. Cada gas da un perfil de
penetración diferente ycreando mezclas se logran combinaciones de perfiles
adecuados a las necesidades el fabricante.
Velocidad en la soldadura. La mezcla de gas provoca que se pueda depositar
con mayor velocidad la soldadura, sin generar arcos erráticos o depósitos de
mala calidad y aumentando así la eficiencia del depósito.
Tendencia de socavación. Los gases de protección pueden disminuir
sustancialmente la tendencia a la socavación, encontrando su mezcla correcta y
sus parámetros adecuados como velocidad de alambre, voltaje yamperaje.
Acción de limpieza. La mezcla de gas adecuada puede lograr una disminución
de chisporroteo sustancialmente yasí obtener una soldadura más limpia ybaja
necesidad de re trabajo por limpieza.
38
Propiedades mecánicas de la soldadura. El gas de protección provoca que el
metal de la soldadura no pierda sus propiedades mecánicas, como fluencia y
tensión al asegurar el calor de entrada necesario para lograr la fusión del metal
de soldadura al metal base si afectar estas propiedades.
39
CAPÍTULO 5
GASES DE PROTECCIÓN Y SU EFECTO EN
LA SALUD
Sena estimado que aproximadamente más de un millón de trabajadores a
nivel mundial desarrollan algún tipo de soldadura en las actividades diarias de
su trabajo (8).
Estudios epidemiológicos han demostrado que un gran número de
soldadores han experimentado algún tipo de daño respiratorio, como lo es la
bronquitis, siderosis, asma, yun posible aumento en el cáncer de pulmón (9).
La mayoría de los procesos de soldadura y corte producen humos y gases
que pueden ser peligrosos para la salud (10).
Los humos son partículas sólidas originadas por los consumibles de
soldadura, el metal base y los recubrimientos del metal base. Aparte de los
40
humos tenemos los gases de protección y los generados por el proceso de
soldadura o generados porel proceso de radiación (8).
5.1 Posibles efectos
Los efectos pueden ocurrir inmediatamente o hasta después de cierto tiempo,
entre los mas comunes podemos citarlos siguientes.(IO) (11).
• Irritación en ojos, piel, y del sistema respiratorio hasta complicaciones
más severas.
• Humos pueden causar síntomas como nauseas, dolor de cabeza, vértigo
y fiebre.
• La posibilidad de serios efectos en la salud existe cuando materiales
altamente tóxicos están involucrados, por ejemplo una sobre exposición
al manganeso puede ocasionar daños al sistema nervioso provocando
impedimentos en el habla yen el movimiento.
5.2 Cómo evitar sobre exposición a humos:
Para evitar los daños causados por la exposición a humos se recomienda
seguir las indicaciones que se enlistan a continuación. (10) (11).
• Mantener la cabeza fuera de los humos.
• No respirar los humos.
• Mantener suficiente ventilación para asegurarque los humos no estén en
la zona de respiración.
41
• Si existen dudas de la ventilación adecuada se requiere tomar una
muestra del aire para tomar las medidas correctivas adecuadas.
• Precaución especial de ventilación cuando se encuentre en el ambiente
algunas de las siguientes sustancias: Arsénico, antimonio, berilium,
cadium, cobalto, cromo, manganeso, cobalto, plomo, cobre, mercurio,
plata, selenio, vanadio, níquel, cobalto.
• Utilice ventilación mecánica.
• Cuando no se tengan controles ingenieriles usar respiradores aprobados.
. Respiradores diseñados para soldadura, corte, soldering, grainding y
pulir. Figura 15. (13) (14)
Figura 15 Respirador aprobado para actividades desoldadura (9).
CAPITULO 6
SELECCIÓN DE GASES DE PROTECCIÓN
PARA GMAW
42
El presente capítulo se basa en el estudio de Irving de 2002 (12). Elegir
el gas de protección adecuado tiene más que ofrecer que ahorros de costos y
mejorar la productividad. Los días de comprar el gas de protección basándose
sólo en el precio del pie cúbico está llegando a su fin. El gas de protección no
solamente protege el charco de soldadura de la contaminación del medio
ambiente, combinado con la corriente de la soldadura yel alambre de aporte, el
gas de protección ayuda ha mejorar la calidad, operación yproductividad en los
procesos de utilizados en aceros, aceros inoxidables yaleaciones de aluminio,
o donde se vayan a utilizar.
Por años, la mayoría de ios fabricantes consideraban que el gas ideal
para la protección de la soldadura era el C02, ya que el Argón es muy caro.
Estudios han demostrado en los Estados Unidos que los gases de protección
43
representan sólo el 3% del costo total de hacer soldadura en un acero medio en
un proceso de GMAW, la mayor parte del costo, un 77%, pertenece a la mano
de obra, yel costo del alambre un 18%, para aceros inoxidables el costo de los
gases de protección es el 3%, aunque el costo de la mano de obra sea de 43%,
en este proceso la mayor parte del costo esta en el alambre 53%.
El costo de los gases básicos para soldar varía de la siguiente manera el
más barato es el C02, el mas caro es el Helio y el que está en un costo medio
es el Argón.
Cuando los gases son mezclados, el costo inicial de la mezcla puede ser
similar, pero una puede ser la que genere más ahorros que otras. Por ejemplo,
la mezcla popular 75% Ar - 25% C02 el cilindro tiene un costo de 20$ dlls. por
cilindro, cuando se utiliza una mezcla única con la intención de remplazar el gas
de protección puede costar 22$ dlls. Sólo un 10% de diferencia, pero el ahorro
en el uso del metal de aporte y en la mano de obra, con el uso de la mezcla
Ideal se puede lograr ahorros sustanciales.
Utilizando la mezcla adecuada de gases asegura la más alta eficiencia
en el depósito de soldadura, por ejemplo utilizando en un proceso de GMAW el
100% de C02 como gas de protección nos da una eficiencia de deposito entre
el 88 al 92 %, y reemplazando el C02 con Ar - 10%CO2 aumenta la eficiencia
de depósito a 95% - 97% y produce significativamente menos humos. Esto
significa que si la mezcla de Ar - C02 como gas de protección en el proceso de
GMAW, mejora la productividad como incrementar la velocidad de alambre,
mayor depósito de soldadura y mínima limpieza posterior al soldar, puede
44
reducir hasta en un 10% el costo de mano de obra, lo cual nos da un ahorro en
todo el proceso de soldadura. Los gases de protección altamente oxidantes
como el C02 requieren el uso de alambre para soldar con agentes antioxidantes
adicionales esto para compensar la pérdida de los micro aleantes por la
reacción causada por el C02 con el alambre para soldar. Si secambia de C02 a
Ar con 8%C02 se puede utilizar un alambre menos costoso por la buena
retención de las aleaciones. Esto puede ocasionar hasta un ahorro del 25% en
los costos de alambre para soldar manteniendo las propiedades mecánicas,
fácil operación y aumentar la velocidad de alambre.
En conclusión, no debemos tomar sólo en cuenta el costo del gas de
protección para tomar una decisión de cual gas utilizar en nuestro proceso, es
muy importante considerar cuál sería la mezcla ideal para nuestro proceso
considerando otros factores como velocidad de depósito, limpieza, ycalidad de
la soldadura depositada, para obtener el mayor beneficio posible de todo el
proceso. Es muy importante lograr las propiedades mecánicas ideales en la
soldadura depositada en nuestro proceso. El mercado nos ofrece una muy
amplia variedad de combinación de gases de protección basadas en Argón, y
C02 sólo hay que escoger la ideal
45
CAPÍTULO 7
MEJORA EN LOS PROCESOS DE
SOLDADURA GMAW YGTAW ALTERNANDO
LOS GASES DE PROTECCIÓN
Los procesos de soldadura que usan Helio como gas de protección fueron
desarrollados en 1920, después fue introducido el Argón y el Dióxido de
Carbono como otros gases de protección alternos. Cada gas tiene sus
propiedades, incluyendo la potencialidad de ionización, y produce
características únicas del arco (13-14). Al inicio de 1970, investigadores (15 -
16) reportaron beneficios del uso de mezclas de dos gases. Desde entonces,
las industrias de la soldadura Americanas no han visto evolución significativa en
el uso de los gases de protección para mejorar la calidad yla productividad de
los procesos GMAW y GTAW.
En el estudio de Kang et al.(2004) (14) dan a conocer, a los profesionales de
la soldadura, la tecnología de los gases de protección altemos introducidos
recientemente en Rusia y en el lejano Este de Asia. De acuerdo con algunas
46
investigaciones (16) los efectos de la alternación de gases de protección para
los procesos de GMAW yGTAW, representan beneficios como la reducción de
la porosidad, reducción de fisuras, aumento de la resistencia yuna mejora en la
ductilidad en el Aluminio.
7.1 Variación de la presión del arco
La Figura 16 muestra la presión del arco yvariación de la corriente contra el
tiempo pasando alternativamente el Argón yel Helio a través de la boquilla de la
pistola. Debido a las características de ionización, el Argón obtiene mayor
corriente yproduce mayor presión del arco comparado con Helio (13 - 14). Los
cambios en la presión del arco causan cambios en el movimiento del charco de
soldadura.
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He
C^^l
*mL Coméale
He
Figura 16 Variación de la presión del arco yla corriente (alternando Ar yHe)(14).
47
7.2 Variación del fluido en el charco de soldadura
Muchos científicos e ingenieros incluyendo investigadores (13-14),
caracterizan que el arco plasma del Ar tiene muy alta energía en el área interna
ymenor energía en el área externa, mientras que el arco plasma del He tiene
muy alta energía dispersada uniformemente en una área amplia. Esto ocasiona
que cuando el Ar pasa, la temperatura del charco de soldadura es baja yel nivel
de fluido es bajo, cuando el He pasa la temperatura del charco de soldadura es
altoyel nivel de fluido también es alto.
7.3 El impulso de la presión del arco.
Cuando se alternan los gases de protección con Ar a He, se construye una
presión de un gas y cuando es relevado ocurre un impulso de presión. Este
impulso es aplicado al charco de soldadura ycausa una acción de "empuje y
paro, empuje y paro" acción similar al efecto de la fuente de poder de la
soldadura de arco pulsado. Los tres fenómenos se muestran en la Figura 17,
cuando el Ar fluye, la presión del arco es alta yel fluido del charco desoldadura
es bajo. Alta presión del arco ybajo fluido del charco de soldadura del Ar, junto
con el impulso, produce un cierto vector de flujo en el charco de soldadura.
Cuando fluye el He, su baja presión del arco y alto fluido del charco de
soldadura, junto con el impulso , produce un muy diferente vector de flujo en el
48
charco de soldadura. Los efectos acumulativos de estos fenómenos producen
una acción dinámica en el charco de soldadura.
El uso de gases convencionales o premezclados produce una presión del
arco constante, y un fluido constante en el charco de soldadura. Por lo tanto, no
existe una acción dinámica en el charco de soldadura.
rISJ
vu \
i—^ Ar] He
Tiempo
I /
6 *#rtr t\ He
-Al>—-T-
X'.
Figura 17 Presión del arco contra el tiempo ycomportamiento del charco de soldadura.(14).
7.4 Porosidad
Algunos Investigadores (14) elaboraron un estudio de porosidad en
aleaciones de aluminio 1420 y 1460 utilizando el proceso GMAW. Compararon
las muestras soldadas hechas con tres configuraciones de gases de protección,
Ar, una mezcla de Ar +67% de He yla alternación de Ar y He con un rango de
flujo de 3a 1(Ar - He) yfrecuencia alterna de 2.2 Hz. La Figura 18 muestra los
49
resultados del estudio mostrando la porosidad menor en la alternancia de Ar y
He. La acción dinámica en el charco de soldadura asociada con la alternancia
de gases ayuda a escapar las burbujas de gas. (17).
Ar Ar + 67% He ArHe
Tipos de gases y mezclas aplicados
Figura 18 Comparación de la porosidad con los tipos de gases de protección.
7.5 Perfil de la soldadura
La investigación del perfil de soldadura muestra vistas microscópicas de
secciones cortadas de las diferentes muestras hechas con las tres diferentes
configuraciones de gas de protección Ar, Ar +67% He yalternación de Ar yHe.
No se encontró una diferencia significativa en la profundidad de la soldadura,
pero hay una diferencia en el ancho de soldadura. La alternación de Ar yHe (3
a 1) con una frecuencia alterna de 2.2 Hz produjo la soldadura mas profunda y
amplia. Figura 19 (17).
-Amplitud —«—Profundidad |
Ar Ar + 67% He ArHe
Tipos de gases y mezclas aplicados
7.6 Velocidad de la soldadura
ArBHH_ Ar+67%He ™TrrwntAr,He
Figura 19 Comparación de perfil de soldadura con diferentes tipos de gases de
protección.(14).
50
Se condujo un estudio de la velocidad de la soldadura para un acero
inoxidable austenitico 304 utilizando el proceso GTAW. Se compararon
diferentes gases de protección Ar, Ar+67%He y Alternación de Ar y He.
Encontrando que con la alternancia de Ar y He la velocidad de deposito de
soldadura es mayor que las otras dos combinaciones ver Figura 20 yFigura 21
(17).
"O
o
-a
ro
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>
51
Ar Ar + 67% He ArHe
Tipos de gases y mezclas aplicados
Figura 20 Variación de la velocidad del depósito de soldadura utilizando GTAW en diferentes
tipos de gases de protección (14)
; ••••I^H
Figura 21 Variación en la cara de soldadura ylongitud en el uso de diferentes combinaciones
de gas de protección en el proceso de GTAW (A.- Ar, B.- Ar+67%He, C- Uso alterno de Ar y
He) (14)
52
7.7 Distorsión en la soldadura
Como parte del estudio se condujo una investigación de la cantidad de calor
necesario para cada configuración de gases de protección para una longitud
dada de soldadura. El Ar requiere el calor de entrada mayor, esto debido a que
el Ar tiene baja energía de arco y, por lo tanto, requiere más calor de entrada
para terminar la longitud dada de soldadura esto causa que el Ar tenga la másalta distorsión igualmente la combinación de Ar+67% He, generaron alta
distorsión yal contrario el uso alterno de Ar yHe, generaron la más baja
distorsión ver en Figura 22 y Figura 23 (17)
20
18
.1 16 H(A
0 14-
§ l2"•S 1(H13 81 6-|
cro 4
U
2 -I
0
-Ar,He -Ar + 67% He Ar
12 3 4 5 6
Numero de pases en la soldadura
Figura 22 Comparación de distorsión angular en el proceso GTAW con diferentes
combinaciones de gases de protección (14).
25
e
5 20CO
11501
-o
T¡ 10 H(O-a
(O
U
0 4
—
Ar Ar + 67% He Ar,He
Gas y mezcla de gases aplicados
53
Figura 23 Comparación de la distorsión longitudinal en el proceso GTAW con diferentes
combinacionesde gases de protección (14)
La mejora en los procesos de soldadura GMAW y GTAW alternando los
gases de protección se puede resumir en los siguientes puntos (13) (14) (15)
(16) (17):
1.- La tecnología de alternar gases de protección mejora la penetración de
soldadura y la ductilidad, yreduce la porosidad y las fisuras en las aleaciones
de aluminio.
2.- Reduce la distorsión de la soldadura y mejora la penetración y la velocidad
de la soldadura para los aceros inoxidables o aleaciones similares.
3.- La tecnología puede ser aplicada al proceso de GMAW y GTAW con
diferentes materiales base o condiferentes gases de protección.
54
4.- Para tomar la ventaja de la tecnología, a su máximo alcance, para diferentes
procesos de soldadura, es necesario la optimización de flujos de gases de
protección y las frecuencias alternantes.
CAPÍTULO 8
ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN
55
Los gases de protección para los procesos de soldadura están básicamente
divididos en gases inertes, gases reactivos y mezclas de gases. Los gases
inertes más comunes son el argón, helio, para los gases reactivos los más
comunes son el oxígeno yel nitrógeno. En los gases mezclados el más popular
es el Dióxido de carbono.
La principal finalidad de los gases de protección en los procesos de
soldadura es la de crear un ambiente de protección al medio ambiente del arco
de soldadura ypoder tener un efecto de unión del metal base con la soldadura y
obteniendo una buena sanidad en la soldadura,
También incrementa la productividad en los procesos de soldadura al crear
depósitos de soldadura más rápidos, buena limpieza, y mayor calidad en las
uniones soldadas.
56
Definitivamente, el gas de protección que nos da los mejores resultados en
el proceso de soldadura es el argón considerado el gas estrella, mas sinembargo, es necesario hacer una mezcla para lograr mejorar las propiedadesde la soldadura, esta mezcla está formada por argón principalmente, dióxido de
carbono en menor proporción yoxígeno en más pequeña proporción. Esta
mezcla nos da una mejor calidad de la soldadura, penetración, limpieza y
aumenta la productividad, al poder hacer a mayor velocidad el depósito de
soldadura ycon la generación más limitada de humos, el soldador puede
mantenerse más tiempo haciendo soldaduras sin tener que parar como con el
dióxido de carbono que genera mas humos que el Ar. El bajo calor de entrada
que requiere el Ar contribuye aque el soldador pueda soportar más tiempo
aplicando la soldadura sin tener que parar por la alta radiación de calor
generado por otros gases como el dióxido de carbono.
Por lo tanto, es muy importante tener en cuenta todos los aspectos que
contribuyen en el uso de gases de protección para poder escoger el más
adecuado.
57
CAPÍTULO 9
CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES
1.- Los gases de protección para los procesos de soldadura no se deben
escoger sólo por su costo, sino por la utilidad que nos pueden dar ypor todoslos beneficios en el proceso de soldadura. Hay que tomar en cuenta que los
gases de protección que nos ofrece el mercado cuentan con ampliascaracterísticas que nos pueden hacer los procesos de soldadura más eficientes,
con mayor limpieza, mejorar la penetración, estabilidad del arco, incrementar el
depósito de soldadura, la generación de humos, el calor de entrada requerido
para cada mezcla, entre otras características.
2.- Es necesario definir qué es lo que queremos lograr en nuestro proceso de
soldadura para seleccionar el gas o la mezcla de gases a utilizar como
protección. Es importante considerar el tipo de acero a soldar y sus espesores
para asegurar que la mezcla de gas de protección se la adecuada para la unión
por soldadura de estos materiales.
58
3.- El costo del gas se releva a segundo término considerando que podemos
ser más eficientes en los procesos de soldadura considerando la mezcla de
gases ideal para nuestro proceso. Se ha comprobado en diversos estudios
como el que mostramos en el Capítulo 6 que el costo de los gases no es tan
relevante cuando comparamos que podemos elevar la productividad de los
procesos que realmente van a tener impactos significativos en el costo de la
manufactura de la soldadura.
4.- El tener la mezcla adecuada de gases ayuda a los soldadores y a la
empresa; ya que los soldadores tendrán un mejor ambiente de trabajo con
menos humos, menos retrabajo por limpieza, y menos retrabajo por mala
soldadura. Así la empresa obtendrá mayor productividad.
5.- En Terex de México se tiene la mezcla adecuada para soldar los aceros
A36, A633, A514, Weldox 120, Hardox 400 ya que se usa la mezcla ternaria de
90 %Ar, 8 %C02y 2 %de Oxígeno, la cual esadecuada para la transferencia
tipo spray que genera bajo volumen de humos y deja buena limpieza en la
soldadura por el bajo chisporroteo.
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Recomendaciones
Después del análisis de la información podemos hacer las siguientes
recomendaciones:
Para poder escoger el gas o la mezcla de gases adecuada para nuestro
proceso hay que definir las características de la soldadura que queremos lograr,características como profundidad de la penetración, limpieza en la soldadura,
taza de depósito de soldadura, características del metal base, aleación,
espesores, entre más información logremos analizar nos dará la oportunidad
de escoger el gas o la mezcla de gases idónea para nuestro proceso. No sólo
debemos considerar el costo como la única característica para escoger los
gases de protección, sino que hay que ser más inteligentes y considerar lo
eficiente que podemos convertir los procesos de soldadura que, por ende, nos
bajará el costo de producción al tener que re trabajar menos, al lograr terminar
nuestros procesos en menor tiempo y, ante todo, mejor calidad de la soldadura
que es lo que el cliente desea yestá pagando por ello.
En Terex de México se recomienda, de acuerdo al estudio del estado del
arte, el uso de una mezcla ternaria con alto porcentaje de Argón, un porcentaje
menor al 25% de Co2 y un % menor del 5% de Oxígeno para mejorar la
penetración.
60
BIBLIOGRAFÍA
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62
LISTA DE FIGURAS.
1.- Figura 1Diagrama del equipo para el proceso GMAW
2.- Figura 2Viaje de las descargas negativas en un circuito hacia el polopositivo.
3.- Figura 3Conexión de corriente directa electrodo negativo (DCEN).
4.- Figura 4Conexión de corriente directa electrodo positivo (DCEP).
5.- Figura 5 Perfil de penetración del Argón profundo yestrecho.
6.- Figura 6 Perfil de penetración del helio es mas ancho pero menosprofundo que el del argón.
7.- Figura 7 Perfil de penetración del C02 es ancho y profundo.
8.- Figura 8 Perfil de penetración de la combinación de Argón / C02
9.- Figura 9 Perfil de penetración de Argón / Oz es de mayor profundidad yno tan ancho como el perfil de Argón / C02.
10.- Figura 10 Transferencia globular.
11.- Figura 11 Transferencia corto circuito.
12.- Figura 12 Transferencia tipo espray.
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13.- Figura 13 Transferencia por arco pulsado.
14.- Figura 14 Fotografía mostrando una fractura en la soldadura.
15., Figura 15 Respirador aprobado para actividades de soldadura
16.- Figura 16 Variación de la presión del arco yla corriente (alternando Ary He) "
17.- Figura 17 Presión del arco contra el tiempo y comportamiento delcharco de soldadura.
18.- Figura 18 Comparación de la porosidad con los diferentes tipos degases de protección.
19.- Figura 19 Comparación de perfil de soldadura con diferentes tipos degases de protección.
20.- Figura 20 Variación de la velocidad del deposito de soldadurautilizando GTAW en diferentestipos de gases de protección.
21.- Figura 21 Variación en la cara de soldadura y longitud en el uso dediferentes gases de protección en el proceso de GTAW.
22.- Figura 22 Comparación de la distorsión angular en el proceso GTAWcon diferentes combinaciones de gases de protección.
23.- Figura 23 Comparación de la distorsión angular en el proceso GTAWcon diferentes gases combinaciones de gases de protección.
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LISTA DE TABLAS
1,- Tabla 1 El fabricante tiene una variedad de gases de protección aconsiderar para soldar con arco.
2.- Tabla 2 Diferentes combinaciones de procesos de soldadura ymateriales que requieren diferentes combinaciones de gases deprotección en la soldadura.